高边坡预应力锚索钢套管跟进成孔技术研究与应用

2020-11-10那称刘波李东

建筑施工 2020年7期

那称刘波李东

云南建投第五建设有限公司云南昆明 650106

1 工艺原理

在预应力锚索成孔过程中，有的地区地质条件复杂，土层较为松散，地层孔隙水较为丰富，在成孔过程中由于受到钻机的扰动，极易出现边钻边坍孔的现象，导致成孔难度加大。为此，在复杂地质条件下预应力锚索成孔常采用跟管施工工艺，主要方法为锚索钻孔过程中在容易坍孔的部位采用套管跟进施工，后使用回旋钻取芯成孔，直至穿越容易坍孔部位，利用套管在薄弱土层形成护壁支护体系，从而有效避免了成孔段坍塌。目前锚索钻孔跟进套管施工常用方法分为钢套管跟进与UPVC套管跟进2种，前者主要适用于边坡地下水丰富及湿法成孔作业，后者主要适用于边坡无地下水系存在以及干法成孔施工[1-2]。本文将结合工程实例，对预应力锚索钢套管跟进施工工艺进行研究分析，优化施工工艺，提高成孔质量，加快施工速度。

2 工程概况

云南省贡山县2018年城镇化集中安置项目幸福新区为坡地建筑，按照设计要求，高边坡支护采用预应力锚索＋格构梁和抗滑桩板墙体系，其中抗滑桩支护体系锚孔直径为200 mm，单根锚索长度最长达35 m；格构梁支护体系锚孔直径为150 mm，单根锚索长度最长达35 m；两者锚孔垂直布孔2～5排不等，经统计，本工程锚索成孔总长10 826 m。现场边坡高度达10 m，自然坡率陡，现场地勘报告显示，该段坡体均为强风化砂岩，坡面岩体存有潜在滑移面（图1），边坡滑动面分布于粉质黏土层和碎石层之间，所有锚索锚固段均进入碎石层，由于碎石层土层质地不均，结构松散，以强风化砂岩为主，冲击或轻微扰动后容易垮塌且碎石不能被钻头冲击成粉状碎块后排出，导致孔内钻机所受到的摩擦阻力增大，钻头旋转受阻，若强行钻进或撤回，极易造成已成孔段坍塌，钻杆弯曲折断，钻具卡死报废。项目部通过对钢套管跟进成孔工艺技术进行研究分析，利用钢套管与钻机同时跟进施工，在碎石层形成钢套管护壁，再进行锚索施工，从而有效避免了成孔坍塌，大大提高了成孔率。

图1 潜在滑动面示意

3 施工工艺技术

3.1 施工工艺流程

放线定锚索孔位置→钻机就位→调整钻机滑倒角度→固定钻机→开孔→跟管钻进（安装管靴、钢套管）→退钻、接管、接杆→继续钻进达到孔深（记录岩性和钻进情况，确保锚索锚固段锚入滑动面以下取芯）→退钻、卸杆、卸钻具→终孔验收→清孔→锚索制作与安装→注浆→张拉、锁定

3.2 主要技术要点

3.2.1 定孔位

边坡开挖平整完成后，利用水准仪测放出每排锚索水平标高，利用钢尺测放出锚孔水平间距。孔定位完成后需使用红油漆做好孔位标记，一孔一记。

3.2.2 钻机就位

钻机进场后按照先前测量放线放出的孔位位置就位后，调整角度，成孔孔位水平向的距离误差不应大于50 mm，垂直向的距离误差不应大于100 mm。当锚索很长时，允许误差宜控制在±1°内。

3.2.3 钻头和钢套管选型

本工程设计预应力锚索成孔直径分别为2 0 0、150 mm。根据不同成孔直径分别采用如下钻头和钢套管：200 mm孔径采用50型锚杆钻机，扩孔直径不小于214 mm的偏心钻头，长1 500 m的φ80 mm钻杆，跟进管靴内径194 mm、壁厚10 mm，单节长度1 000 mm，跟进套管内径194 mm、壁厚10 mm，单节长度1 000 mm；150 mm孔径采用50型锚杆钻机，扩孔直径不小于164 mm的偏心钻头，长1 500 m的φ80 mm钻杆，跟进管靴内径146 mm、壁厚10 mm，单节长度1 000 mm，跟进套管内径146 mm、壁厚10 mm，单节长度1 000 mm。

3.2.4 跟管钻进技术

1）当钻机进入碎石层后，采用钢套管跟进工艺施工，在土质薄弱易坍孔部位采取钢套管逐节跟进，第1节钻杆和第1节套管的前端镶有钻头，后端为丝扣，将钻杆插入套管中，置于钻臂架上，前端对准坑壁，开动钻机，动力头正转，先安装第一节钻杆，再安装第一节套管。当第一节钻杆和套管钻到位后，将套管与动力头旋松脱开，用水清渣，继续安装以后各节钻杆和套管，直至钻到设计要求深度。

2）在施工过程中要随时观察钻孔出土样品，等待钢套管钻进且穿越易坍孔部位后，再利用口径比钢套管内径小10 mm的钻筒进行取芯。

3）在钢套管跟进钻孔施工过程中，因为钻具会受重力影响向下倾斜，从而导致钻机上翘，而且随着钻孔长度的增加，倾斜现象会越明显。因此，钻机就位前应做适当调整，其倾斜角度应该比设计倾斜角度偏小。并且为保证施工过程中偏心跟管钻具工作正常，在施工前应对钻具、钻头、钢套管、导向帽、冲击器进行检查维护，确保偏心锤头转动灵活，钻头、钻杆连接牢固，钢套管无变形、破裂出现。

4）施工过程中保证护筒有足够的埋深，尽量让护筒埋置在稳定的土层中。严禁将钻机与护筒相连接，以防止由于振动引起的孔口坍塌，造成大的坍孔事故。

5）在钢套管跟进钻孔施工作业时，需要时刻关注钻孔出土样品，在确认钻头到达碎石土层时，先不要盲目钻进，正确做法为先回转钻机，确认钻机无异常后，再进行风冲动钻进，每隔1 000 mm加接钢套管，且每钻进5 000 mm应使用强风吹孔排粉一次，确保孔内清洁。若出现卡死现象，要重新对钻孔进行清理作业，然后再进行钻具试提。

3.2.5 清孔

钻孔作业完成后，应对孔内沉渣进行清理，否则会导致预应力锚索锚固力大幅降低，无法满足设计要求。因此孔内沉渣清理在钻孔完成后显得极其重要，必须要保证成孔孔壁垂直，不出现松动、塌陷，孔内无残留沉渣。钻孔作业完成后，需向孔内注入新鲜泥浆，将孔内的沉渣排出孔外，直至孔口返出新鲜泥浆为止。清孔作业完成后，需通知监理进行验孔，验收通过后方可进行下道工序。

3.2.6 锚索制作

锚索索体采用1860级φ15.2 mm钢绞线，使用前应对锚索材料进行检测，只有通过力学性能试验，且质检报告合格的钢绞线才能投入使用。制作应在专设的工作平台进行，下料长度应根据终孔后的孔深决定，钢绞线及钢筋应平直排列。制作过程中确保钢绞线表面清洁、无污染，最后仔细核对锚索长度与孔深一致无误后再进行编号（编号同桩编号）。安装就位前，要认真清除钢绞线表面的污物，每隔1.5 m设置一个扩张环，每隔1.5 m设置一个箍筋环，用12#铅丝捆扎3道，并且箍筋环和扩张环间隔设置。锚索端部需按设计安装导向帽，材料选用φ48 mm× 3.5 mm的钢管，长度200 mm，其作用为方便锚索下放。

3.2.7 锚索安装

锚索制作完成后需沿钢套管内壁缓慢下放至设计位置，过程中不得出现索体旋转、扭曲，锚索安放完成后不能随意移动。锚索应置于孔内中心位置，因此钢绞线下放前，需要装上钢筋托架（图2），对钢绞线在孔内位置进行定位，方便调整，确保钢绞线处于钻孔的中心位置，定位托架沿拉筋每隔1 000 mm设置1个，托架材料选用钢筋制作而成，托架的构造不得妨碍浆体自由流动。

图2 锚杆框架节点

3.2.8 注浆

注浆管头部距离孔底50～100 mm，锚索成孔完成后立即清孔并注浆，采用孔口压力反向注浆，孔口加止浆塞，灌注浆液必须饱满密实。注浆过程应连续，注浆从孔底开始，将泥浆顶出孔外，同时压住地下水头。注浆时需缓慢拔出注浆管，但不得全部抽出，需保持注浆管不小于500 mm的长度浸没于注浆液中，直至注满。

3.2.9 张拉锁定

锚索采取分级张拉法，先对锚索进行单根张拉2次，以提高锚索各钢绞线的受力均匀度，张拉时，加载速度要缓慢，速率每分钟不宜超过设计值的1/10。卸荷速率每分钟不宜超过设计应力值的1/5，每级张拉稳定时间为5 min，最后一级张拉稳定时间不少于10 min，压力表稳定后方能锁定锚索。

4 与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

1）房建深基坑支护工程应用预应力锚索支护工程已较为广泛，但本项目在当前国内房建工程中几乎没有案例可借鉴。

2）房建深基坑工程中几乎无该施工技术的借鉴案例，多为基坑支护传统预应力成孔锚固技术。

3）本项目的顺利实施，从根本上解决了在地基土层复杂的边坡支护预应力锚索成孔施工中坍孔卡钻、钻不到设计深度、强行换位布孔的问题，较传统预应力锚索成孔工艺提高了锚孔成孔率，缩短了施工周期，节约了施工成本，确保了施工质量。

4）我国预应力锚索钢套管跟进施工技术起步较晚，研究成果和国外发达国家相比较少，并且绝大多数应用于公路、水利、铁路工程中，但至今国家或行业仍未颁布相关标准、规范指导设计和施工，锚索孔径设计模数没有规定的规范标准，施工用钢套管也没有标准模数，需要专门由厂家定制生产。

5 技术创新点及推广应用情况

本工程通过对钢套管跟进成孔技术进行深究分析，分别采用壁厚10 mm，内径194、146 mm的2种钢套管跟进成孔，在易坍孔部位形成钢套管护壁，有效解决了预应力锚索成孔施工中坍孔卡钻、钻不到设计深度、强行换位布孔的问题，大大提高了复杂地质条件下锚孔成孔率。通过采用预应力锚索钢套管跟进成孔技术施工，共计完成440束预应力锚索成孔施工，成孔总长达10 826 m。

施工结果证明了该施工方法在复杂地质环境条件下锚孔成孔质量好，施工速度快，能够有效解决钻孔坍塌、钻具卡死报废、无法成孔的难题，大大提高了锚孔成孔率，节约了施工周期，应用前景可观，值得推广应用。

6 效益情况

6.1 社会效益

通过本工程440束锚索成孔的成功应用，在保证了施工质量的前提下，提高了施工效率，所有成孔一次性验收合格，得到了监理方、建设方和贡山县质监站一致好评。为公司和社会培养了技术人才，为今后类似工程的施工提供了一定借鉴经验。

6.2 经济效益

同传统预应力锚索施工工艺相比，钢套管跟进施工工艺技术有效规避了成孔段坍孔的风险，提高了锚孔成孔率，避免了二次换位布孔带来的人、材、机的浪费，且钢套管在锚索固定后还可以进行回收，多次周转利用，大大节约了施工成本。经统计，本项目钢套管跟进施工，共配置钢套管4套（内径194、146 mm各2套），成孔长度总长10 826 m，共计节约施工成本20万元。